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      1. 多軸傳感器
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        多軸傳感器受追捧 MEMS加速挺進醫療設計

        2020-11-06 15:43:23

         多軸慣性傳感器已日益受到醫療應用市場青睞。融合多軸感測功能的慣性MEMS元件,不論尺寸、功耗、精準度與可靠性均有優異表現,可符合醫療應用領域的嚴苛要求,如手術導航工具等精密醫療儀器,皆已開始大量導入。

          導航與汽車、卡車、飛機、輪船及人相關。然而,它也開始在醫療技術領域發揮重要作用,精密手術儀器和機器人即須使用導航。手術導航工具的設計要求與傳統的車輛導航具有廣泛的共同點,但前者也提出一些獨特的挑戰,如在室內使用,無法獲得全球衛星定位系統(GPS)支援,因而需要更高性能。

         多軸MEMS傳感器轉化醫療資訊

        微機電系統(MEMS)已成為大多數人每天都會碰到的成熟技術,它使汽車更安全、增強手機可用性,并能優化工具及運動設備的性能,從而提高對病人的醫療護理水準。

        用于線性運動檢測的MEMS元件通常是基于一個微加工的多晶矽表面結構,該結構形成于矽晶圓之上,通過多晶矽彈簧懸掛在晶圓的表面上,提供對加速度力的阻力。在加速度下,MEMS軸的偏轉由一個差分電容測量,該差分電容由獨立固定板和活動品質連接板組成。如此一來,運動使差分電容失衡,導致感測器輸出的幅度與加速度成正比。

        例如汽車因碰撞而突然急劇減速時,安全氣囊感測器中的MEMS軸會產生同樣的運動,使得電容失衡,最終產生訊號觸發安全氣囊打開。此一基本加速度計結構,根據不同的應用性能參數進行調整,并增加資料處理功能后,可以指示傾斜度、速度甚至位置。另有一種技術上相關的結構是陀螺儀,它能檢測旋轉速率,輸出形式為度/秒。

        透過一個耗電量極低的微型元件,以檢測和測量運動的能力,幾乎對任何涉及運動的應用都具價值,表1即按運動類型列出基本醫療應用。

            盡管簡單的運動檢測有價值,如一個軸上的線性運動,但多數應用皆涉及到多個軸上的多種類型運動。捕捉這種多維運動狀態不僅能帶來新的好處,且能在軸外擾動可能影響單主軸運動測量的情況下,保持精度。

          為測量物件所經歷的運動,必須將多種類型(如線性和旋轉)的感測器結合起來,如加速度計對地球的重力敏感,可用來確定傾角。換言之,讓一個MEMS加速度計在一個±1g重力場中旋轉時(±90度),它能夠將該運動轉換為角度表示。

          然而,加速度計無法區分靜態加速度(重力)與動態加速度。因此,加速度計可與陀螺儀結合,利用組合元件的附加資料處理能力,可分辨線性加速度與傾斜(即當陀螺儀的輸出顯示旋轉與加速度計記錄的明顯傾斜重合時)。隨著系統的動態程度(運動的軸數和運動自由度)增加,感測器融合過程會變得更加復雜。

          了解環境對感測器精度的影響也很重要。顯而易見的一個因素是溫度,可對其進行校準。事實上,高精度感測器可以重新校準,并自身進行動態補償。另一個不那么明顯的考慮因素是潛在的振動,即使很輕微的振動也會使旋轉速率感測器的精度發生偏移,這種效應稱為線性加速度效應和振動校正,其影響可能很嚴重,具體取決于陀螺儀的品質。在此種情況下,感測器融合同樣能夠提高性能,即利用加速度計來檢測線性加速度,然后利用此資訊和陀螺儀線性加速度靈敏度的校準資訊進行校正。


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